CN111564911A - 一种基于分光装置的激光无线能量传输系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于分光装置的激光无线能量传输系统，包括用于发出激光的激光发射装置，用于接收所述激光并将所述激光分成n份相同光通量的分光的分光装置，用于接收所述分光并将所述分光转换为电能的空心球状光伏接收器，所述空心球状光伏接收器的中心设置有均匀向外以辐射状分布的n根分光支架，所述n根分光支架用于固定所述分光装置的输出光纤，从而使所述n份相同光通量的分光对应直接照射至所述空心球状光伏接收器的360/n度立体角区域，采用对激光进行分光的方式可以保证空心球状光伏接收器内壁的每个区域都能被激光直接照射，减少不同区域光照强度的差异，进一步地利用空心球状光伏接收器的密闭空心结构，重复利用激光的能量，提高基于分光装置的激光无线能量传输系统的光电转换效率和输出功率。
Description
技术领域
本发明涉及无线能量传输技术领域，尤其涉及一种基于分光装置的激光无线能量传输系统。
背景技术
能量密度高、发散角小、方向性好等优点使激光在无线能量传输领域中发挥了较强的技术优势，然而，目前尽管用于激光无线能量传输的激光器、光伏电池及相关光学技术已经成熟，但是还没有相关成熟的激光无线能量传输系统得到广泛应用，主要原因在于激光无线能量传输系统的输出功率低，光电转换效率远远低于单个光伏电池的转换效率。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术缺陷，本发明提供一种基于分光装置的激光无线能量传输系统，旨在实现激光的重复利用，提高光电转换效率和激光无线能量传输系统的输出功率低。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种基于分光装置的激光无线能量传输系统，其特征在于，包括用于发出激光的激光发射装置，用于接收所述激光并将所述激光分成n份相同光通量的分光的分光装置，用于接收所述分光并将所述分光转换为电能的空心球状光伏接收器，所述空心球状光伏接收器的中心设置有均匀向外以辐射状分布的n根分光支架，所述n根分光支架用于固定所述分光装置的输出光纤，从而使所述n份相同光通量的分光对应直接照射至所述空心球状光伏接收器的360/n度立体角区域，其中，2≤n≤360。
进一步地，所述分光装置包括光接收器，以及与所述光接收器连接的光纤分光器，所述光纤分光器包括输入光纤以及均与所述输入光纤连接的n根输出光纤，所述n根输出光纤用于将所述输入光纤输入的激光分成n份相同光通量的分光。
进一步地，所述光接收器为圆锥型光接收器，所述圆锥型光接收器的底部大直径端面为激光输入端面，所述圆锥型光接收器的顶部小直径端面为激光输出端面。
进一步地，所述圆锥型光接收器的内部侧面设置有反射膜。
进一步地，所述n根输出光纤的输出端对应固定在所述n根分光支架上。
进一步地，所述n＝360。
进一步地，所述激光发射装置包括用于发射激光的激光器以及用于对所述激光进行准直的扩束镜。
进一步地，所述空心球状光伏接收器的内部由硅基光伏电池或光伏材料拼接而成。
进一步地，所述光伏材料为GaInP/GaAs/Ge、GaInP2/GaAs/Ge或GaInP/InAs/Ge中的一种。
进一步地，基于分光装置的激光无线能量传输系统还包括与所述空心球状光伏接收器电连接的电能管理器，以及与所述电能管理器电连接的终端设备。
有益效果：本发明公开了一种基于分光装置的激光无线能量传输系统，包括用于发出激光的激光发射装置，用于接收所述激光并将所述激光分成n份相同光通量的分光的分光装置，用于接收所述分光并将所述分光转换为电能的空心球状光伏接收器，所述空心球状光伏接收器的中心设置有均匀向外以辐射状分布的n根分光支架，所述n根分光支架用于固定所述分光装置的输出光纤，从而使所述n份相同光通量的分光对应直接照射至所述空心球状光伏接收器的360/n度立体角区域。本发明通过采用所述分光支架对激光进行分光的方式可以保证空心球状光伏接收器内壁的每个区域都能被激光直接照射，减少不同区域光照强度的差异，进一步地利用空心球状光伏接收器的密闭空心结构，重复利用激光的能量，提高基于分光装置的激光无线能量传输系统的光电转换效率和输出功率。
附图说明
图1为本发明基于分光装置的激光无线能量传输系统的较佳实施例的结构示意图。
图2为图1中分光装置的结构示意图。
图3为图1中分光支架的结构示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做说明。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1和图2，本发明提供了一种基于分光装置的激光无线能量传输系统，如图所示，其包括用于发出激光的激光发射装置10，用于接收所述激光并将所述激光分成n份相同光通量的分光的分光装置20，用于接收所述分光并将所述分光转换为电能的空心球状光伏接收器14，所述空心球状光伏接收器14的中心设置有均匀向外以辐射状分布的n根分光支架15，所述n根分光支架15用于固定所述分光装置的输出光纤，从而使所述n份相同光通量的分光对应直接照射至所述空心球状光伏接收器14的360/n度立体角区域，其中，2≤n≤360。
本实施例通过采用所述分光支架15对激光进行分光的方式保证所述空心球状光伏接收器14阵列接收器的每个区域都能被激光直接照射，减少直接照射和间接照射的光照强度的不同，完善并提高光的均匀性。具体来讲，经过分光照射的激光利用所述空心球状光伏接收器14密闭的空心结构，在所述空心球状光伏接收器14的内壁上产生多次反射达到光均匀的作用，并利用其密闭性重复利用激光的能量，提高基于分光装置的激光无线能量传输系统的输出功率和光电转换效率。
在一些实施方式中，如图1所示所述激光发射装置10包括用于发射激光的激光器11以及用于对所述激光进行准直的扩束镜12。在本实施例中，所述激光器11可发出808nm、532nm、880nm或者1064nm波长的激光，但不限于此；所述扩束镜12用于多所述激光进行准直，经过准直后的激光可进入空气或者其他介质进行远距离传输到达所述分光装置20。所述激光经过所述扩束镜12准直后，是的激光的发射角变小，光斑直径变大，而激光发散角的减小有利于减少激光在空气或者其他介质的传输损耗，激光光斑尺寸的增大也可避免细小光斑的高能量激光将分光装置20的端面烧坏。在一些具体的实施方式中，所述扩束镜12可以是伽利略式的扩束镜、也可以是开普勒式的扩束镜，既可以是固定倍率也可以是变倍的扩束镜，均不限于此。
在一些实施方式中，如图2所示，所述分光装置20包括光接收器21，以及与所述光接收器21连接的光纤分光器，所述光纤分光器包括输入光纤22以及均与所述输入光纤连接的n根输出光纤23，所述n根输出光纤23用于将所述输入光纤输入22的激光分成n份相同光通量的分光。具体来讲，所述光接收器21为圆锥型光接收器，所述圆锥型光接收器的底部大直径端面为激光输入端面，所述圆锥型光接收器的顶部小直径端面为激光输出端面。所述圆锥形光接收器采用透明材料构成，如熔融石英或K9玻璃等材料，但不限于此。将圆锥型光接收器的底部大直径端面作为激光输入端面，是因为所述激光器11发出的激光经过远距离的传输，激光光斑直径变大，需要大面积的光学器件将传输来的激光收集，尽可能多的收集激光，减少激光光斑投射到分光装置20的难度。将圆锥型光接收器的顶部小直径端面作为激光输出端面，是因为有利于将收集的激光耦合进输入光纤22，减少圆锥型光接收器与输入光纤22之间配合存在的损耗，同时，由图1可知激光输出端面连接所述空心球状光伏接收器14，以圆锥型光接收器21的顶部小直径端面作为激光输出端面能够减少非光伏电池或非光伏材料占用空心球状光伏接收器14内壁的面积，增大所述空心球状光伏接收器14内壁接收激光的面积，进一步地增大光电转换面积，提高光均匀性和基于分光装置的激光无线能量传输系统的输出功率。本实施例中，所述圆锥型光接收器的内部侧面镀有反射膜，反射膜的规格可以是808nm、532nm、880nm、1064nm，当激光碰到圆锥型光接收器21的内部侧面会发生反射，经过多次反射，激光最终汇聚在激光输出端面，提高了激光的传输效率。
在本实施例中，所述光纤分光器包括输入光纤22以及均与所述输入光纤22连接的n根输出光纤，所述n根输出光纤用于将所述输入光纤22输出的激光分成n份相同光通量的分光。n的数值可以根据需要进行调整，分光数量也可以根据需要进行快速的增加，分光路数越多就越能保证球形光伏接收器的每个区域都能被激光直接照射，减少直接照射和间接照射的光照强度的不同，从而进一步提高基于分光装置的激光无线能量传输系统的输出功率和光电转换效率。本实施例中，n根输出光纤的输出端对应固定在n根分光支架15上，分光支架15将输出端发出的分光对应照射到空心球状光伏接收器14中360/n度的立体角区域。输入光纤22和输出光纤可以由数值孔径为0.22的50μm/125μm多模光纤构成，也可以是数值孔径为0.22的62.5μm/125μm等多模光纤过程。本实施例采用光纤分光器对激光进行分光，由于光纤分光器体积相对于空心球体直径小很多，因此对空心球体内的激光多次反射产生光均匀的功能影响小，光纤造成的影响可以忽略不计。
激光在输入光纤22的纤芯中传播，当另一根光纤的纤芯足够靠近输入光纤22的纤芯时输入光纤22中传输的激光的模场进入另一根光纤，激光在两根光纤中平均分配，达到了1:2的分光效果，若再次对每根光纤中的激光分别进行1:2的平均分配，即可达到1:4的总的分光效果。
在一些具体的实施例中，如图2和图3所示，当n＝360时，此时输出光纤有360根，分光支架15也有360根，所述360根输出光纤均被固定于如图3所示的分光支架上，分光支架以其中心位置为圆心，向外辐射状分布安装有360根分光支架，每1度或者m度空间角上分布一根分光支架，所述360根输出光纤对应固定在360根分光支架上，这样所述分光支架以空体球心为圆点向外辐射激光，每一路激光输出对应于1度的立体角，保证球形光伏接收器的每个区域都能被激光直接照射，减少直接照射和间接照射的光照强度的不同。
本实施例基于光的不断反射来实现匀光，不需要增加特别的均匀光装置，系统的结构简单，不存在器件的制造瑕疵造成光均匀功能的失效，也不会产生均匀光器件的原理性缺陷，光均匀运行稳定和效果好。同时本实施例克服了空心球状光伏接收器直射区域和反射区域存在的强度偏差的不足和缺点，将分光装置和空心球状光伏接收器相结合将进一步提高基于分光装置的激光无线能量传输系统接收端的光均匀性，从而提高系统的输出功率和光伏整列的光电转换效率。
在一些实施方式中，所述空心球状光伏接收器14的内壁由硅基光伏电池或者GaInP/GaAs/Ge、GaInP2/GaAs/Ge或GaInP/InAs/Ge中的一种构成的光伏材料拼接成的空心球体，光伏材料的规格可以是20X20mm。直接照射到空心球状光伏接收器14的激光一部分被光伏电池或光伏材料吸收并产生光生电流，一部分则在空心球状光伏接收器14的内壁发生反射，使得激光传播方向发生改变，照射到空心球状光伏接收器14内壁的另一位置，再一次发生吸收和反射两个过程，以此类推不断发生吸收和反射，相当于激光被“囚禁”在密闭空腔内，实现激光在光伏电池或光伏材料的表面重复利用，提高激光的利用效率。不同位置的直射激光及其反射光在内壁上相互叠加，形成光积分的效果，从而达到激光在整个光伏电池上的光均匀作用，解决了激光能量分布不均匀导致的光生电流、电压大小不同，从而造成传输能量损失和电能输出效率低下等问题。
在一些实施例中，基于分光装置的激光无线能量传输系统还包括与所述空心球状光伏接收器14电连接的电能管理器16，以及与所述电能管理器16电连接的终端设备17。激光被空心球状光伏接收器14吸收转换成电能后，电能管理器16的MPPT控制器对产生直流电压和直流电流进行检测，计算出光伏材料或光伏电池的输出功率，实现最大功率点的追踪，再经过BOOST或者BUCK电路来实现太阳能电池板的最大功率输出，最终为终端设备17提供电能供应。
综上所述，本发明通过采用所述分光装置对激光进行分光的方式保证所述空心球状光伏接收器阵列的每个区域都能被激光直接照射，减少直接照射和间接照射的光照强度的不同，完善并提高光的均匀性。经过分光照射的激光利用所述空心球状光伏接收器密闭的空心结构，在所述空心球状光伏接收器的内壁上产生多次反射达到光均匀的作用，并利用其密闭性重复利用激光的能量，提高基于分光装置的激光无线能量传输系统的输出功率和光电转换效率。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于分光装置的激光无线能量传输系统，其特征在于，包括用于发出激光的激光发射装置，用于接收所述激光并将所述激光分成n份相同光通量的分光的分光装置，用于接收所述分光并将所述分光转换为电能的空心球状光伏接收器，所述空心球状光伏接收器的中心设置有均匀向外以辐射状分布的n根分光支架，所述n根分光支架用于固定所述分光装置的输出光纤，从而使所述n份相同光通量的分光对应直接照射至所述空心球状光伏接收器的360/n度立体角区域，其中，2≤n≤360。
2.根据权利要求1所述的基于分光装置的激光无线能量传输系统，其特征在于，所述分光装置包括光接收器，以及与所述光接收器连接的光纤分光器，所述光纤分光器包括输入光纤以及均与所述输入光纤连接的n根输出光纤，所述n根输出光纤用于将所述输入光纤输入的激光分成n份相同光通量的分光。
3.根据权利要求2所述的基于分光装置的激光无线能量传输系统，其特征在于，所述光接收器为圆锥型光接收器，所述圆锥型光接收器的底部大直径端面为激光输入端面，所述圆锥型光接收器的顶部小直径端面为激光输出端面。
4.根据权利要求3所述的基于分光装置的激光无线能量传输系统，其特征在于，所述圆锥型光接收器的内部侧面设置有反射膜。
5.根据权利要求2所述的基于分光装置的激光无线能量传输系统，其特征在于，所述n根输出光纤的输出端对应固定在所述n根分光支架上。
6.根据权利要求5所述的基于分光装置的激光无线能量传输系统，其特征在于，所述n＝360。
7.根据权利要求1所述的基于分光装置的激光无线能量传输系统，其特征在于，所述激光发射装置包括用于发射激光的激光器以及用于对所述激光进行准直的扩束镜。
8.根据权利要求1所述的基于分光装置的激光无线能量传输系统，其特征在于，所述空心球状光伏接收器的内部由硅基光伏电池或光伏材料拼接而成。
9.根据权利要求8所述的基于分光装置的激光无线能量传输系统，其特征在于，所述光伏材料为GaInP/GaAs/Ge、GaInP2/GaAs/Ge或GaInP/InAs/Ge中的一种。
10.根据权利要求1所述的基于分光装置的激光无线能量传输系统，其特征在于，还包括与所述空心球状光伏接收器电连接的电能管理器，以及与所述电能管理器电连接的终端设备。
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